开关电源变压器设计与材料选择.ppt

目 录,变压器的结构和组成 变压器的设计,变压器的结构和组成,变压器,原边绕组,副边绕组,导磁回路(磁心),励磁磁通,漏磁磁通,一次侧,二次侧,1.改变电压 2.隔离电路,绕组的电压关系,法拉第定律:,交变磁场中的电动势:,变化磁场,变化磁场在闭合回路中产生的感生电势,E,空间回路,法拉第定律,变压器,跟据法拉第定律:,变压器电流关系,楞次定律-变压器的电流关系,描述:闭合回路中感应电流的方向，总是使得它所激发的磁场来”阻碍”引起感应电流的磁通量的变化,变化磁场,变化磁场在闭合回路中产生的感生电流,感生电流所产生的磁场,实际通过闭合回路的磁场,i,导体,楞次定律,磁通不能突变,应用:通常变压器的电流决定于负载,跟据楞次定律,可用作变压器的软磁材料,可用作变压器的磁性材料,锰锌铁氧体(Mn-Zn Ferrite):,镍锌铁氧体(Ni-Zn Ferrite):,功率铁氧体,非晶，超微晶，纳米晶:,硅钢片,工频变压器,高频开关电源变压器 （40KHz-2MHz),高频开关电源变压器 （2MHz),中低频开关电源变压器 （40KHz),铁氧体材料的选择,选择磁性材料的关键点：,：磁心的饱和磁密 ：磁心的损耗 (储能与放能之差),B,H,Hdc,Hdc=0,Hdc,一三相限:Full bridge 一相限:forward DC Bias:flyback,Bac,Bac,Bac,Bm,磁损曲线,BH曲线,单位体积磁损公式：,材料的损耗指标:固定Pcv时的FxB公式,不同铁氧体的使用频率,f .B: Material performance factor,22000HzT,32000HzT,23000HzT,35000HzT,f .B: 表现一个材料在一个频率下所能通过的B的能力,A.频率提高, 磁能材料能够通过功率的能力提高 B.频率提高到一定程度,会有一个更好的高频材料来接替,磁心的选择,一般情况下 fs300KHz, Bmax取决磁损 假设频率fs=400KHz, 取单位磁损为300mw/cc,材质N49, Bmax=32000HzT/400KHz=80mT fs在150K至300K之间时, Bs和Pcv都考虑,取其小值. 假设频率fs=200KHz, 材料3C96,Pcv300mw/cc B1=0.5*80%*Bs=136mT;B2=28000HzT/200KHz=140mT, 取B1和B2中的小值作为Bmax=136mT,磁心的Bmax的选择方法,不同特性的铁氧体材质,常规的低频材料,飞磁的常规,高饱,低温和高温低频材料,低温,高温,高饱,常规3C96,常规的高频材料,TDK低频宽温材料PC95对比,选择磁心的形状,常用铁心形状A,EE,EFD,ER,EC,ETD,PQ,RM,选择磁心的形状,常用铁心形状B,EQ,PJ,Planar EE,磁心的选择,磁性材料的选择依据 1.工作频率范围 2.饱和磁密大小,磁心形状的选择依据 1.功率密度的要求 2.成品高度的限制 3.绕组的多少 4.线包的引出线形式,绕组的结构,Simple,Sandwich,Interleaving,漏 感 减 小,交 流 损 耗 减 小,隔 离 结 构 复 杂,常 用 导 线,名称:漆包线,电磁线 结构:圆铜线外覆绝缘漆 规格:0.04mm-1.0mm,名称:三层绝缘线 结构:圆铜线外覆三层绝缘膜,耐压3000Vac 规格:0.2mm-1.0mm,名称:铜箔,铜皮 结构:纯铜薄片,使用时需加绝缘 规格:厚0.025,0.05mm常用作屏蔽层 厚0.05mm 常用作绕组导线,名称:多股绞线，Litz线，李兹线 结构:多根同规格的漆包线制的绞线 规格:0.1xN,0.12xN,0.2xN等,常 用 导 线,名称:镀锡线，镀锡铜线 结构:圆铜线外镀锡 规格:0.2-1.0,常用作引脚,跳线,需要加绝缘,名称:冲压铜片(常镀锡) 结构:生铜片直接冲压切割成片状绕组的形状 规格:厚0.5-1.0, 需加绝缘,名称:扁平线 结构:扁平的漆包线 规格:跟据规格和厂商生产能力;宽:厚10,高频交流损耗,集肤效应(Skin effect):,邻近效应 (Proximity effect):,主电流,主电流在导体外产生的磁场,在导体内回路包围的电流在导体中产生的磁场,在导体自身电流产生的磁场所产生的涡流,方向上,靠近导体表面的电流与主电流同向,而靠近中心的电流与主电流反向,导体内通过交流电流,主电流与自身电流所产生的涡流叠加,使导体截面上电流分布呈现表面电流密度大,内部电流密度小的现像.,J,x,导体内通过交流电流,主电流与外部磁场所产生的涡流叠加,使导体截面上电流分布呈现左右电流密度分布不均的现像.,主电流,主电流在导体外产生的磁场,在导体内回路包围的电流在导体中产生的磁场,集肤电流,J,x,外部交流磁场,外部磁场产生的涡流,使用工具估算绕组的损耗,Ansoft Maxwell 2D &3D,通过维和维分析，推算变压器的损耗和漏感,优点：较准确 缺点：对硬件要求高；模型要尽可能接近实际,使用工具估算绕组的损耗,Dowell 1D model ( Magnetics Design tool),通过1维分析，推算变压器的损耗,优点：较准确,可以连续分析 缺点：理想化的模型，对一些结构有简化，简化越多，误差越大,输入电流波形,计算在上面波形下不同导线的R/Rdc,Litz线的简化,漏磁通与漏感,磁通回路全部通过绕组的磁通为励磁磁通 位置上为全部在铁心中 磁通回路有一部分在绕组间的磁通为漏磁通， 位置上为经过窗口的磁通,漏磁通存储的磁场能量,一般情况下，,而 与 基本相当,所以可以简略认为,漏感与磁场,漏感的估算,Hmax,H=0,Hw,减小Lk的方法: 1.拉高窗口宽度或拉宽窗口宽度(如平面化) 2.减小每个磁回路的电流和(如三明治或interleaving) 3.减小Hmax的区域体积(如减小P-S之间距离) 4.减少圈数,而:,故:,变压器的设计,开关电源的拓扑,变压器的设计,相关参数,计算AP,选择铁心,设计绕组,评估变压器性能,AP法介绍,AP法, 即 Area Product (面积乘积)法的简写,走磁通的面积Ae,走电流的面积Aw,X,=AP,AP的计算公式,(磁心的储能能力),(磁心的通过电流的能力),双管正激变压器的设计,设计参数,1.从电路引入的设计参数,2.磁性元件的一些常规设计参数,磁心的选择,1.计算最大输出功率,2.计算原边平均电流Iin,3.预计算原边电流脉冲Ipk,Ipk,原边电流波形,4.预计算原边电流有效值Iprms,r,Forward变压器磁心中的回线,DB,磁心的选择,5.Bmax的选择:,fs150KHz,Bmax取决于Bs, 本例fs=100KHz,取Bs的80%为基准, 材质3C96 ,Bmax=0.5*80%*Bs=136mT,6.AP计算:,(注:本例中Bs取的是H=250A/m时的值0.37T,而不是handbook上给的1200A/m时的0.44T),磁心的选择,d.跟据AP选择铁心,选择条件： 1.forward 2.假设限高30mm 3.要求高功率密度,跟据下表选择PQ26/25,BBN绕线空间,PQ26/25,13.55mmx4.1mm,圈数的计算与选择,1.原边圈数的计算 .,Ae=120mm2, Bac=136mT,2.副边圈数的计算 .,.复算确认原边圈数 .,圈数的计算与选择,.原边无气隙电感的计算 .,MPL=57.3mm,.变压器的变比 .,.实际最大占空比 .,D最大值满足要求,(平均磁路长度),绕组的计算与选择,1.计算导线截面积 .,前面已得出：Iprms=1A Jp=600A/cm2,对于正激电路，副边电流,前面给定Js=750A/cm2,2.导线类别和线包结构的初选 .,原边线径,单心线0.5mm,多股线0.1x25C,副边线径,TIW 0.9mm,铜箔绕组:宽度10mm,线包结构：常规变压器，原副原 三明治结构 注意：辅助变压器或需要高漏感的变压器可以考虑用Simple结构 而要求低损耗时可以考虑采用interleaving结构,绕组的计算与选择,3.通过一维计算确定导线的优化条件 .,一二次侧边界,主层,次层,原边绕组主次共层 副边绕组主次共层,一二次侧边界,主层,次层,内外原边绕组一个层个层 中间副边绕组次层由主层平分到个组中，各有层,注意： 铜箔的规则与导线相同 如果是Litz线，层数还要乘上股数的开方值（如层0.1x25c线的损耗层数是xsqrt(25)=2x5=10层,绕组的计算与选择,4.不同线组合的对比列表 .,绕组的计算与选择,5.导线的选择与排布 .,BBN 的绕 线空间,13.55,4.1,0.1x25c,线径约0.65mm 每层可布20圈，共布2层余4圈 总厚0.65x3=1.95mm,0.5,线径约0.55mm 每层可布24圈，共布2层少4圈 总厚1.1mm,副边绕组: 0.9TIW,线径约1.15mm 每层可布11圈，一层布完,总厚1.15mm,0.12mm铜箔,每层外带6层胶带合计0.48mm,组合,0.1x25c+0.9TIW,sandwich,总厚度3.76mm,组合2,0.5+0.9TIW,sandwich,总厚度2.91mm,铜箔绕组,对比0.9TIW,当铜箔绕组超过3匝,即不合算,绕组的计算与选择,6.线包结构 .,Top,Bottom,P绕组1,24Ts,0.5,实际厚度约0.5mm,P-S绕组间绝缘和Shielding共厚约0.42mm,S绕组 9圈 TIW 0.9线 除去绝缘实厚约0.9mm,P-S绕组间绝缘和Shielding共厚约0.42mm,P绕组2,20Ts,0.1x25c, 实际厚度约0.5mm,PQ2625 组合2 RM12/I 组合1,Top,Bottom,P绕组1,21Ts,0.1x25c,实际厚度约0.65mm,P-S绕组间绝缘和Shielding共厚约0.42mm,S绕组 7圈 TIW 0.9线 除去绝缘实厚约0.9mm,P-S绕组间绝缘和Shielding共厚约0.42mm,P绕组2,14Ts,0.1x25c, 实际厚度约0.65mm,绕组的计算与选择,7. 导线损耗的计算 .,采用组合2方案,0.5+0.9TIW,sandwich,总厚度2.91mm,原边直流电阻,原边等效电阻,副边直流电阻,副边等效电阻,绕组损耗,铁心的加工,1.气隙的计算 .,对于正激变压器，电子工程师需要给出一个合适的电感值,以降低铁心中的Br,例如:Lp=800uH,较准确的气隙电感计算公式：,气隙可以加工,铁心的参数计算,1.实际的交流磁通密度 .,2.铁心损耗的计算 .,3.总损耗的计算 .,4.损耗比重 .,漏感的估算,13.55,2.74,0.5x24T,0.9x9T,0.5x20T,磁心对称轴,7.1,0.42,0.42,H,24AT,-20AT,14,3.04,0.65x21T,0.9x7T,0.65x14T,磁心对称轴,7.3,0.42,0.42,H,21AT,-15AT,H1,H2,x1 x2 x3 x4 x5 x6,x,x,H对x的函数,漏感能量与电感之间的关系：,计算出来的结果并不能代表实际的结果，但可以对比不同的绕组结构的漏感大小,计算漏感时的线包总厚度不包括线包最外层的胶带厚度,线包截面及相对尺寸,线包截面及相对尺寸,反激变压器的设计,设计参数,1.从电路引入的设计参数,2.磁性元件的一些常规设计参数,Flyback的工作模式,1.FLYBACK的工作原理,*,*,Vin,Lk,Lm,Tx,ip,im,CCM, Continuous Current Mode,连续电流工作模式 DCM, Discontinous Current Mode,断续电流工作模式 DCMB, DCM Boundary,临界断续电流工作模式,上述模式均指的是Lm的工作状态,im,CCM,DCM,im,DCMB,用AP法选择磁心,1.AP的计算,Ippk,原边电流波形,Ispk,副边电流波形,2.计算原边平均电流Iin,3.预计算原边电流峰值Ipk,4.预计算原边电流有效值Iprms,1.输出功率Po,5.原边电感值Lp,7.计算AP,6.Bmax选择,跟据频率选择材料为3C96,再跟据Bs选择Bmax=Bac=0.1036,铁心的选择,跟据AP选择铁心,跟据下表选择PJ3018,选择条件： 1.flyback 2.假设限高20mm 3.要求高功率密度 4. 无风,BBN for J3018,圈数的计算与选择,1. 圈比的计算 .,2. 圈比的合理性 .,n=4.46满足要求,3. 圈数的计算 .,Mos耐压Vds=600V,裕量Vdsmargin=150V,Diode耐压Vdm=150V,裕量Vdmmargin=50V,回算：,取：,圈数的计算与选择,3. 验算圈比和Duty Cycle .,4. 计算气隙 .,5. 铁心中磁通的计算 .,满足要求,满足要求,跟据,得到,可以加工,交流磁通,直流磁通,最大磁通,满足要求,绕组的计算与选择,1.计算导线截面积 .,前面已得出：Iprms=1.046A Jp=500A/cm2,对于反激电路，副边电流,前面给定Js=500A/cm2,2.导线类别和线包结构的初选 .,原边线径,单心线0.55mm,多股线0.1x30C,副边线径,TIW 均小于1.0,取TIW0.8x2,线包结构：常规变压器，原副原 三明治结构,绕组的计算与选择,3.在design tool中计算Re/Rdc .,4.导线的排布 .,P绕组1,14Ts,0.1x30c,实际厚度约0.75mm,P-S绕组间绝缘和Shielding共厚约0.42mm,S绕组 7圈 TIW 0.8x2线 2层 除去绝缘实厚约1.9mm,P-S绕组间绝缘和Shielding共厚约0.42mm,P绕组2,17Ts,0.1x26c, 实际厚度约0.75mm 其中内层13圈,外层4圈,占用1.5mm,线包总厚度:5.1mm BBN壁与Core 之间5.35mm,绕组的计算与选择,5.绕组损耗的计算 .,0.1x30C+0.8TIWx2,sandwich,总厚度2.91mm,原边直流电阻,原边等效电阻,副边直流电阻,副边等效电阻,绕组损耗,考虑到气隙的扩散效应造成的损耗，Pw估测损耗增加30%,变压器的其它性能参数,.铁心损耗 .,2.变压器总损耗耗 .,3.变压器损耗比重 .,变压器的其它性能参数,4.漏感的估算 .,H对x的函数,漏感能量与电感之间的关系：,计算出来的结果并不能代表实际的结果，但可以对比不同的绕组结构的漏感大小,10.7,4.49,0.75x14T,0.8x7T,0.75x17T,磁心对称轴,7,0.42,0.42,H,14AT,-17AT,x,线包截面及相对尺寸,Flyback辅助绕组的电压调整,常见做法: 主输出Vo1有反馈控制,辅助输出不控,由Nso1与Nso2的变比决定输出电压,常见问题: 主输出Vo1重载,Vo2电压漂高.,多路输出的交差调整问题,漂高原因电压spike,解决方法: 1.加强辅助绕组与受控副边间的偶合, 强化受控输出对辅助输出电压的钳位(主要因素) 2.尽可能地减小辅助输出与原边间的偶合，减小原副边转换时的电压尖峰对辅助绕组的影响(次要因素) 做法：,P S1 Aux(S2),Aux,Sec,Pri,Good couple,Bad couple,全桥变压器的设计,设计参数,1.从电路引入的设计参数,2.磁性元件的一些常规设计参数,用AP法选择磁心,1.AP的计算,Ipk,原边电流波形,2.计算原边平均电流Iin,3.预计算原边电流脉冲Ipk,4.预计算原边电流有效值Iprms,1.输出功率Po,6.计算AP,5.Bmax选择,跟据频率选择材料为DMR44,全桥磁心在1-3相限工作， 跟据Bs选择Bmax=Bac=0.2017,铁心的选择,跟据AP选择铁心,跟据下表选择PQ3230,选择条件： 1.全桥 2.假设限高35mm 3.要求高功率密度 4. 有风,PQ3230 BBN 绕线空间,圈数的计算与选择,. 圈数的计算 .,复算Np,圈数的计算与选择,2.原边无气隙电感的计算 .,MPL=71.8mm,Ae=149mm2, Bac=200mT,3.变压器的变比 .,4.实际最大占空比 .,D最大值满足要求,绕组的计算与选择,1.计算导线截面积 .,前面已得出：Iprms=4.99A Jp=600A/cm2,对于全桥电路，副边电流,前面给定Js=600A/cm2,2.导线类别和线包结构的初选 .,原边线径,单心线0.8mm,多股线0.1x50C,副边线径,线径过粗,选用铜箔0.1x16,常规绕法,绕组的计算与选择,3.在design tool中计算Re/Rdc .,厚度大于0.2mm的铜箔,损耗基本相同,绕组的计算与选择,4.导线的排布 .,P绕组1,14Ts,0.1x50c,实际厚度约0.95mm,P-S绕组间绝缘和Shielding共厚约0.42mm,S1 和S2各1圈 0.2x16铜箔,实厚0.7,P-S绕组间绝缘和Shielding共厚约0.42mm,P绕组2,14Ts,0.1x50c, 实际厚度约